CN112198763A - 套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法 - Google Patents

套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光刻相关技术领域，其公开了一种套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法，该装置包括：照明系统；设于照明系统光路上的起偏臂，起偏臂沿光路依次包括起偏器、第一相位延迟器、第二相位延迟器以及第一透镜组；与起偏臂沿待测套刻样件表面的法线对称设置的检偏臂，检偏臂沿光路依次包括第二透镜组、第三相位延迟器、第四相位延迟器以及检偏器；设于检偏臂光路上的探测系统，探测系统将检偏臂解调的光束会聚并将光束发送至数据处理系统，数据处理系统将光束转化为穆勒矩阵，并根据穆勒矩阵获得套刻误差。本申请待测套刻样件的套刻标记周期不受限制、测量速度快、测量结果不受运动器件的干扰，测量准确度高，鲁棒性好，适用范围广。

Description

套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法
技术领域
本发明属于光刻相关技术领域，更具体地，涉及一种套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法。
背景技术
集成电路(Integrated Circuit，IC)是现代生产生活不可或缺的组成部分，光刻是集成电路制造中的关键工艺，套刻误差(Overlay)是光刻工艺中的重要参数。套刻误差是指在曝光时，当前层(曝光显影后光刻胶上保留的图案)与参考层(晶圆上已有图案)之间的对准误差，亦即与当前层设计位置的相对偏移量。套刻精度是光刻机的三大指标之一，其大小对器件性能有着直接影响，过大的套刻误差将导致器件短路或开路，将极大地影响器件的良率。为保证设计在上下两层的电路能可靠连接，通常套刻误差必须小于关键尺寸(Critical Dimension，CD)的三分之一。在半导体制造过程中，必须用专用的套刻误差测量装置对套刻误差进行测量，计算所需要的套刻误差修正量，并将其反馈至光刻机的对准控制系统对套刻误差进行修正。对于测量系统而言，其测量精度通常要求为套刻误差容许值的10％～15％。因此套刻误差的准确、快速、鲁棒测量，是保证光刻机进行参数优化与工艺良率控制的关键。
美国专利申请US5701013A中提出，扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope，SEM)是一种能够较为精确地测量套刻误差的装置，但是其测量条件苛刻，对待测样件具有破坏性，且速度极慢，因此通常仅作为其他测量手段的参考标准。
目前常用的套刻误差测量装置均采用光学测量方法进行测量。一类测量装置利用基于成像的套刻误差(Image-Based Overlay，IBO)测量方法获取套刻误差，虽然这类装置的测量结果简单直观，但由于IBO方法本质上是一种光学显微成像技术，因此会受到光学分辨率极限的限制，难以满足先进技术节点下套刻误差的测量需求。另一类测量装置利用基于衍射的套刻误差(Diffraction-Based Overlay，DBO)测量方法获取套刻误差，通过测量周期性样件的衍射光谱实现套刻误差测量。
Weidong Yanga等在文章“A novel diffraction based spectroscopic methodfor overlay metrology”中提出利用套刻样件的零级反射光谱求解套刻误差。这种方法需要建立参数模型与仿真光谱之间的关系，不断迭代参数直至仿真光谱与测量光谱相同，或者需要预先建库进行匹配，因此会耗费大量时间。
美国专利申请US10520451中提出利用角分辨散射仪测量套刻误差，其利用经验公式(正负一级光强差ΔI与套刻误差OV近似成线性关系)求取套刻误差，这种方法称为eDBO(empirical DBO)方法，如式(1)所示：
ΔI＝K×OV (1)
基于上式(1)，分别在两块套刻标记上预设+D与-D的偏差，使两个标记中总的套刻误差分别(OV+D)与(OV-D)，分别测量两块标记的正负一级光强差ΔI+与ΔI-，即可求取套刻误差OV，如式(2-a)至(2-c)所示：
ΔI+＝K×(OV+D) (2-a)
ΔI-＝K×(OV-D) (2-b)
Figure BDA0002711030760000021
由于角分辨散射仪在测量中需要同时接收套刻标记的正负一级衍射光，其套刻标记的周期Pitch将会受到波长λ与物镜NA的限制，如式(3)所示：
Figure BDA0002711030760000031
而套刻误差一般用可见光(波长范围：400-750nm)进行探测，并且在空气中物镜的数值孔径(NA)通常小于1，因此满足式(3)要求的套刻标记其周期必然大于测量波长，套刻标记将占据较大的面积。然而，随着光刻工艺技术的改善，半导体器件不断向着微型化趋势发展，套刻标记的大小也将不断受到限制。
Clement Fallet等在文章“Overlay measurements by Mueller polarimetry inback focal plane”中提出利用穆勒矩阵测量套刻误差。零级穆勒矩阵非对角元素Δm(Δm可以为m13+m31、m23+m32、m14-m41、或m24-m42)可以作为套刻误差表征量，利用类似eDBO的方法求取套刻误差，如式(4-a)至(4-d)所示：
Δm＝K×OV (4-a)
Δm+＝K×(OV+D) (4-b)
Δm-＝K×(OV-D) (4-c)
Figure BDA0002711030760000032
虽然这种装置在测量套刻误差时不需要限制套刻标记的周期(利用套刻标记的零级衍射光，即镜面反射光来获取其穆勒矩阵，其反射角度不受套刻标记周期的影响)，但是传统的穆勒矩阵椭偏仪往往存在运动器件干扰测量结果，且测量较为耗时(通常需要数秒)，故而其在套刻误差测量领域实际应用面临速度与精度困境。
此外，随着摩尔定律的不断延续，半导体器件不断朝着微型化趋势发展，对套刻标记尺寸的要求越来越苛刻，这对目前已有的测量装置提出了挑战。另一方面，半导体器件正在从二维结构向三维结构转变(例如目前三维闪存结构已堆叠至超过百层)，受应力等因素的影响，器件区域的真实套刻误差难以通过放置在划线槽中的套刻标记进行准确表征。因此，亟需发展一种新的套刻误差测量装置与测量方法，实现器件区域套刻误差的快速、准确测量，在测量的过程中有必要对现有的套刻误差测量装置进行优化以获取更优的性能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法。本发明提出了两种套刻误差测量装置，利用该套刻误差测量装置进行套刻误差测量时，由起偏臂对测量光束进行调制，而后照射至待测套刻样件上反射出包含样品信息的测量光束，检偏臂将测量光束解调，由数据处理系统进行数据处理获得套刻误差。本发明中的装置的套刻标记周期不受限制、测量速度快、测量结果不受运动器件对测量信号的干扰、能够同时适用于基于划线槽区域内套刻标记的套刻误差测量与基于器件本身的套刻误差测量。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种套刻误差测量装置，所述装置包括：照明系统，用于产生探测光；设于所述照明系统光路上的起偏臂，所述起偏臂沿光路依次包括起偏器、第一相位延迟器、第二相位延迟器以及第一透镜组，所述起偏器将所述探测光转化为线性偏振光，所述第一相位延迟器与第二相位延迟器对所述线性偏振光进行调制，第一透镜组将调制后的线性偏振光会聚至待测套刻样件表面；与所述起偏臂沿待测套刻样件表面的法线对称设置的检偏臂，所述检偏臂沿光路依次包括第二透镜组、第三相位延迟器、第四相位延迟器以及检偏器，经所述待测套刻样件表面反射后的反射光经所述第二透镜组准直后通过所述第三相位延迟器、第四相位延迟器以及检偏器解调；设于所述检偏臂光路上的探测系统，所述探测系统将检偏臂解调的光束会聚并将所述光束发送至所述数据处理系统，所述数据处理系统将所述光束转化为穆勒矩阵，并根据所述穆勒矩阵获得套刻误差。
按照本发明的第一个方面，提供的一种套刻误差测量装置，还可以为以下结构：照明系统，用于产生探测光；设于所述照明系统光路上的起偏臂，所述起偏臂沿光路依次起偏器、第一相位延迟器以及第二相位延迟器，所述起偏器将所述探测光转化为线性偏振光，所述第一相位延迟器与第二相位延迟器对所述线性偏振光进行调制；设于所述起偏臂光路上的入射角扫描系统，入射角扫描系统沿光路依次包括扫描反射镜、分束器以及高数值孔径物镜，所述起偏臂调制后的光束被所述扫描反射镜和分束器偏折后被所述高数值孔径物镜会聚至待测套刻样件表面，所述光束被所述待测套刻样件反射并被所述高数值孔径物镜收集后透过所述分束器射出；设于所述入射角扫描系统光路上的检偏臂，所述检偏臂沿光路依次包括第三相位延迟器、第四相位延迟器以及检偏器；设于所述检偏臂光路上的探测系统，所述探测系统将检偏臂解调的光束会聚并将所述光束发送至所述数据处理系统，所述数据处理系统将所述光束转化为穆勒矩阵，并根据所述穆勒矩阵获得套刻误差。
优选地，所述第一相位延迟器、第二相位延迟器、第三相位延迟器以及第四相位延迟器的厚度比为1∶1∶5∶5或者1∶2∶5∶10或者1∶4∶2∶9。
优选地，所述起偏器的方位角为0°，所述检偏器的方位角为0°或90°，所述第一相位延迟器的方位角为45°，所述第二相位延迟器的方位角为0°、所述第三相位延迟器的方位角为0°以及第四相位延迟器的方位角为45°。
按照本发明的第二个方面，提供了一种采用上述的套刻误差测量装置的测量方法，所述方法包括：S1，起偏臂对所述探测光进行调制后照射至所述待测套刻样件表面或经所述入射角扫描系统照射至所述待测套刻样件表面，所述待测套刻样件表面的反射光束经所述检偏臂解调后获得测量光谱，所述测量光谱通过所述探测系统发送至所述数据处理系统；S2，所述数据处理系统对所述测量光谱进行频域分析获得所述测量光谱的频域信号；S3，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵；S4，根据所述穆勒矩阵获得所述待测套刻样件的套刻误差。
优选地，步骤S3中对所述频域信号进行分通道频域分析具体为：以所述套刻误差测量装置的基频为频率带宽，将所述频域信号进行分频次处理。
优选地，步骤S3具体包括：S31，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵的线性组合；S32，对所述穆勒矩阵的线性组合进行线性运算即可获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵。
优选地，步骤S4包括根据所述穆勒矩阵通过eDBO方法或机器学习方法获得所述待测套刻样件的套刻误差。
按照本发明的第三个方面，提供了一种上述套刻误差测量装置的优化方法，包括：
以由相位延迟器厚度比所决定的系统矩阵的条件数最小为原则设计所述第一相位延迟器、第二相位延迟器、第三相位延迟器以及第四相位延迟器的厚度比，其中，所述系统矩阵的条件数最小的判别公式为：
min(cond(P))＝min(||P||||P+||)
其中，P为由相位延迟器厚度比所确定的系数矩阵，cond为所述系数矩阵的条件数，+表示为求所述系数矩阵的广义逆，||||表示为取矩阵的范数；和/或
根据所述相位延迟器厚度比设计单位周期采样点数，所述单位周期采样点数应满足以下公式：
Np≥4(d1+d2+d3+d4)
其中，Np为单位周期采样点数，d1∶d2∶d3∶d4为上述步骤(1)所设计的四个相位延时器的厚度的最简整数比；和/或
设计所述探测系统的测量波长范围，其中，所述测量波长范围应满足以下公式：
Figure BDA0002711030760000071
Figure BDA0002711030760000072
其中，λmin为所述探测系统的最小探测波长，λmax为所述探测系统的最大探测波长，λmin0与λmax0分别为实际用于测量与计算的最小与最大波长，λ0为中心测量波长，Δλ为探测器的波长分辨率，NT为测量周期数，NT大于或等于5；和/或
根据相位延迟器厚度设计准则设计所述相位延迟器基础厚度的基础厚度，所述相位延迟器厚度d0的设计准则为：
Figure BDA0002711030760000073
其中，Δn(λmax0)为所述相位延迟器所选材料在最大测量波长处的双折射率，Δn(λmin0)为所述相位延迟器所选材料在最小测量波长处的双折射率。
优选地，所述方法还包括：
通过调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0，是测量波段满足整周期截断，所述调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0的依据为：
Figure BDA0002711030760000074
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法至少具有如下有益效果：
1.采用待测套刻样件的穆勒矩阵元素提取套刻误差的快照式套刻误差，能够实现套刻误差的快速和准确测量，并且鲁棒性好；
2.基于本申请中套刻误差测量装置可以快速获知待测套刻样件的穆勒矩阵，测量时间仅取决于探测系统的探测时间和数据处理系统的处理时间，有效解决了传统椭偏测量用时久的问题；
3.本申请中的套刻误差测量装置不包括运动器件，能够避免传统椭偏测量过程中运动器件带来的运动误差；
4.本申请中的套刻误差测量装置与测量方法通过测量套刻标记的零级衍射光即可获得套刻表征量，无需接收正负一级衍射光，能够有效解决现阶段套刻标记周期受到限制的问题；
5.本申请利用基于零级反射光提取的穆勒矩阵进行套刻误差测量，因此不仅可以用于基于套刻标记的套刻误差测量，还可以直接测量器件区域，获取器件区域的套刻误差；
6.本申请提供的套刻误差测量装置的优化方法可以对套刻误差测量装置进一步优化，获取更优的性能。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的套刻误差测量装置的第一种形式；
图2示意性示出了根据本公开实施例的套刻误差测量装置的第二种形式；
图3示意性示出了根据本公开实施例的套刻误差测量装置的测量方法步骤图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的器件区域与划线槽中套刻标记位置；
图5A示意性示出了根据本公开实施例的待测套刻样件的剖视图；
图5B示意性示出了根据本公开实施例图5A所示的待测套刻样件的俯视图；
图6示意性示出了根据本公开实施例的相位延迟器所用材料的双折射率；
图7A示意性示出了根据本公开实施例仿真所得的模拟测量光谱；
图7B示意性示出了根据本公开实施例模拟测量光谱的频域信息；
图7C示意性示出了根据本公开实施例由模拟测量光谱求解出的套刻误差表征量；
图7D示意性示出了根据本公开实施例由模拟测量光谱求解出的套刻误差；
图8A示意性示出了给定套刻误差后通过较佳实施例所述套刻误差测量装置所求得的套刻误差；
图8B示意性示出了给定套刻误差并添加噪声后通过较佳实施例所述套刻误差测量装置所求得的套刻误差。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
210，110-照明系统、220，120-起偏臂、240，130-检偏臂、140，250-探测系统、150，260-数据处理系统、121，221-起偏器、122，222-第一相位延迟器、123，223-第二相位延迟器、124-第一透镜组、131-第二透镜组、241，132-第三相位延迟器、242，133-第四相位延迟器、134，243-检偏器、141，251-第三透镜组、142，252-探测器、401-套刻标记、402-周期性器件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的套刻误差测量装置的第一种形式，该装置包括照明系统110、起偏臂120、检偏臂130、探测系统140以及数据处理系统150，其中：
照明系统110，用于产生探测光。本公开实施例中，照明系统110为整个套刻误差测量装置提供平行探测光，照明系统110可以是有一定带宽的宽光谱光源，或者是具有扫描频率功能的激光光源，当光源的出射光束为非准直光时，该照明系统110还应该包括准直透镜组。
起偏臂120设于所述照明系统110光路上，所述起偏臂120沿光路依次包括起偏器121、第一相位延迟器122、第二相位延迟器123以及第一透镜组124。所述起偏器121将所述照明系统110发出的探测光转化为线性偏振光。所述第一相位延迟器122与第二相位延迟器123优选为采用双折射晶体制作而成，其相位延迟量随波数(波长的倒数)近似线性变换，二者对所述线性偏振光进行调制，使测量光束偏振态随波数成周期性变化。第一透镜组124将调制后的线性偏振光会聚至待测套刻样件表面，实现较小探测光斑。
检偏臂130与所述起偏臂120沿待测套刻样件表面的法线对称设置。当需要改变测量入射角时，需要同时旋转起偏臂120与检偏臂130，保证二者光轴相交于样品表面，且需保持二者关于法线的对称关系。所述检偏臂130沿光路依次包括第二透镜组131、第三相位延迟器132、第四相位延迟器133以及检偏器134，经所述待测套刻样件表面反射后的反射光经所述第二透镜组131准直后通过所述第三相位延迟器132、第四相位延迟器133以及检偏器134解调。第三相位延迟器132、第四相位延迟器133优选为由双折射晶体制作而成，其相位延迟量随波数近似线性变换，二者与检偏器134共同将包含样品信息的反射光解调。检偏器134应具有足够的消光比。
所述第一相位延迟器122，222、第二相位延迟器123，223、第三相位延迟器132，241以及第四相位延迟器133，242的厚度比优选为1∶1∶5∶5或者1∶2∶5∶10或者1∶4∶2∶9。为保证能够求解待测样件的全穆勒矩阵，相位延迟器的厚度比需要满足一定条件，即由厚度比确定的系统的系数矩阵的条件数不能为无穷大。
所述起偏器121、检偏器134以及相位延迟器应按照设计方位角排列才可以完成对探测光束的调制与解调。本公开实施例中，起偏器221的方位角优选为0°，所述检偏器243的方位角优选为0°或90°，所述第一相位延迟器122的方位角优选为45°，所述第二相位延迟器123的方位角优选为0°、所述第三相位延迟器132的方位角优选为0°以及第四相位延迟器133的方位角优选为45°。
探测系统140设于所述检偏臂130光路上，所述探测系统140将检偏臂130解调的光束会聚并将所述光束发送至所述数据处理系统150，所述数据处理系统150将所述光束转化为穆勒矩阵，并根据所述穆勒矩阵获得套刻误差。探测系统140包括第三透镜组141以及探测器142。第三透镜组141可以为透镜或光纤准直器，其作用是将包含样品信息的探测光会聚方便后续探测器142收集。探测器142可以检测并收集测量光束，其可以为光谱仪等，应具有波长分辨功能，且应具有足够的光谱分辨率以满足后续数据处理的需求。数据处理系统150对测量光谱进行频域分析获得所述测量光谱的频域信号，然后对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵，根据所述穆勒矩阵可以采用过eDBO方法或机器学习方法获得所述待测套刻样件的套刻误差。
本发明提供的套刻误差测量装置的第二种形式，如图2所示，包括照明系统210、起偏臂220、入射角扫描系统230、检偏臂240、探测系统250以及数据处理系统260。其中，照明系统210、探测系统250以及数据处理系统260与第一种形式相同，但起偏臂220与检偏臂240中不包括会聚与准直透镜。因此，所述起偏臂220沿光路依次起偏器221、第一相位延迟器222以及第二相位延迟器223；所述检偏臂240沿光路依次包括第三相位延迟器241、第四相位延迟器242以及检偏器243。
入射角扫描系统230沿光路依次包括扫描反射镜231、分束器232以及高数值孔径物镜233，所述起偏臂220调制后的光束被所述扫描反射镜231和分束器232偏折后被所述高数值孔径物镜233会聚至待测套刻样件表面，所述光束被所述待测套刻样件反射并被所述高数值孔径物镜233收集后再次透过所述高数值孔径物镜233和分束器232射出进入检偏臂240。扫描反射镜231可以通过绕光路所在平面的法线旋转实现光束的微调扫描，如图2中虚线所示光路，光束经扫描反射镜231微调后照射在物镜后焦面的不同位置，再经高数值孔径物镜233会聚即可实现不同的测量入射角。入射角扫描系统230各个器件的偏振特性会对测量结果产生影响，因此适当时需要预先校准入射角扫描系统230的偏振特性。
本申请第二方面提供了一种采用上述套刻误差测量装置的测量方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤S1～S4：
S1，起偏臂120，220对所述探测光进行调制后照射至所述待测套刻样件表面或经所述入射角扫描系统230照射至所述待测套刻样件表面，所述待测套刻样件表面的反射光束经所述检偏臂130，240解调后获得测量光谱，所述测量光谱通过所述探测系统140，250发送至所述数据处理系统150，260；
S2，所述数据处理系统150，260对所述测量光谱进行频域分析(例如，傅里叶变换等)获得所述测量光谱的频域信号；
S3，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵；本公开实施例中优选为以所述套刻误差测量装置的基频为频率带宽，将所述频域信号进行分频次处理，例如，傅里叶逆变换、相位恢复等。步骤S3包括以下子步骤：
S31，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵的线性组合；
S32，对所述穆勒矩阵的线性组合进行线性运算即可获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵。
S4，根据所述穆勒矩阵获得所述待测套刻样件的套刻误差。本公开实施例中，优选为根据所述穆勒矩阵通过eDBO方法或机器学习方法获得所述待测套刻样件的套刻误差。
当采用eDBO方法进行套刻误差处理时，测量对象为待测套刻样件上的划线槽区域的套刻标记401(如图4所示)，此时可以采用以下公式(1a)和(1b)来计算套刻误差，需要测量两组套刻标记来获取一个方向的套刻误差。
Δm＝K×OV (1a)
Figure BDA0002711030760000131
当采用先进的机器学习的方法时，其测量对象可以是图4中的套刻标记401也可以是周期性的器件402。
本申请的第三方面还提供了一种上述套刻误差测量装置的优化方法，以对套刻误差测量装置的关键器件进行优化，所述方法包括以下方面的优化。
(1)第一相位延迟器、第二相位延迟器、第三相位延迟器以及第四相位延迟器的厚度比的设计方法为：对以由相位延迟器厚度比所决定的系统矩阵的条件数最小为原则设计所述第一相位延迟器、第二相位延迟器、第三相位延迟器以及第四相位延迟器的厚度比，其中，所述系统矩阵的条件数最小的判别公式为：
min(cond(P))＝min(||P||||P+||) (2)
其中，P为由相位延迟器厚度比所确定的系数矩阵，cond为所述系数矩阵的条件数，+表示为求所述系数矩阵的广义逆，||||表示为取矩阵的范数，此处表示取矩阵的2范数。
(2)单位周期采样点数的设计方法为：根据所述相位延迟器厚度比设计单位周期采样点数，所述单位周期采样点数应满足以下公式：
Np≥4(d1+d2+d3+d4) (3)
其中，Np为单位周期采样点数，d1∶d2∶d3∶d4为上述步骤(1)所设计的四个相位延时器的厚度的最简整数比。
(3)探测系统140，250的测量波长范围的设计方法为：设计所述探测系统250的测量波长范围，其中，所述测量波长范围应满足以下公式：
Figure BDA0002711030760000141
Figure BDA0002711030760000142
其中，λmin为所述探测系统140，250的最小探测波长，λmax为所述探测系统250的最大探测波长，λmin0与λmax0分别为实际用于测量与计算的最小与最大波长，λ0为中心测量波长，Δλ为探测器的波长分辨率，NT为测量周期数，测量周期数越大，测量结果受截断的影响越小，测量精度也越高，NT大于或等于5，且以奇数为佳。
(4)探测系统140，250的波长分辨率Δλ的选择原则为：该参数可以通过探测器的选型确定，也可以通过“给定初值——设计——校核修正”的方法设计。
(5)相位延迟器的材料的选择远侧为：所选材料应具有一定双折射率，且以性质稳定的双折射晶体为佳。
(6)中心测量波长λ0应按照测量需求确定，如根据套刻标记形貌参数及测量条件的优化设计结果选择中心测量波长。
(7)相位延迟器的基础厚度的设计方法为：根据相位延迟器厚度设计准则设计所述相位延迟器的基础厚度，所述相位延迟器厚度d0的设计准则为：
Figure BDA0002711030760000151
其中，Δn(λmax0)为所述相位延迟器所选材料在最大测量波长处的双折射率，Δn(λmin0)为所述相位延迟器所选材料在最小测量波长处的双折射率。
(8)测量波段满足整周期截断的方法为：
通过调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0，是测量波段满足整周期截断，所述调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0的依据为：
Figure BDA0002711030760000152
当探测器或相位延迟器厚度过大或过小而不能加工时，应对相位延迟器材料、中心测量波长、探测器的关键参数以及相位延迟器基础厚度进行重新计算，直至设计结果的成本降为最低。
本发明实施例将以非对角元素m14与m41之差为套刻误差表征量，利用eDBO方法求解套刻误差，介绍本发明所述套刻误差测量装置关键器件的设计和优化过程。
(a)根据重复性测量精度要求设计相位延迟器的厚度比。
本实施例所用方位角配置为起偏器与检偏器的方位角均为0°，第一至第四相位延迟器的方位角依次为45°、0°、0°和45°。
确定上述器件方位角后，对于不同的厚度比d1∶d2∶d3∶d4，可以确定系统唯一的系数矩阵P，本案例中通过遍历的方法，对于di∈[123…10](i＝1，2，3，4)，对式(2)所示的指标进行遍历，最终获得系数矩阵条件数最小的一组厚度比为1∶4∶2∶9。
(b)根据相位延迟器的厚度比设计单位周期采样数目。
由于本方法由测量光谱获得穆勒矩阵的过程中需要对测量光谱进行频域分析，因此为保证能够准确获得测量光谱的，在采样时需要满足采样定理，经计算化简后，Np≥4×(d1+d2+d3+d4)＝64，在本实施例中增加一定设计余量，取Np＝104。
(c)设计相位延迟器材料、中心测量波长以及探测器的关键参数。
选择测量中心波长。本实施例中，中心波长取套刻标记及测量配置的优化设计结果。所用套刻标记形貌如图5A和图5B所示，其中图5A展示了所用套刻标记的剖面图，从上至下各层材料依次为HSQ、SiO2、Si，标记层为矩形光栅结构，即侧壁角SWA1与SWA2设置为90°，各层厚度分别为H1＝150nm，H2＝20nm，H3＝150nm，套刻标记周期Pitch＝319nm、上层标记线宽CD1＝120.0nm、下层标记线宽CD2＝207.0nm，测量配置为λ0＝744.7nm、θ＝58.9°、φ＝86.9°。因此，本实施例的中心测量波长选择为λ0＝744.7nm。
选择相位延迟器的材料。由于本实施例采用的厚度比为1∶4∶2∶9，因此相位延迟器的最大与最小厚度之比为9，为避免最薄的相位延迟器过薄而使加工困难、最厚的相位延迟器过厚导致使用不便，选择相位延迟器的材料为冰洲石，其双折射率如图6所示。
选择探测器波长分辨率。本实施例中探测器采用光谱仪，其波长分辨率Δλ为0.02nm。
计算探测器的测量波段要求。本实施例中选择采样周期数目NT为5，将上述参数代入至式(4)与式(5)中，可以计算获得探测器的测量波段要求为λmin≤739.58nm，λmax≥749.98nm。
(d)设计相位延迟器的基础厚度。
将上述确定的参数代入式(6)，可得相位延迟器基础厚度d0为1.4572mm，为方便加工，对其进行适当规整，最终取基础厚度d0为1.46mm。
(e)微调实际用于测量的光谱起始点与终点。
由于上一步骤对相位延迟器基础厚度d0进行了规整处理，因此需微调实际用于测量的的光谱起始点λmin0与终点λmax0，最终设计结果为λmin0为739.6nm，λmax0为750nm。
利用上述设计结果进行套刻误差仿真测量实验：
通过以上步骤确定快照式套刻误差测量装置的关键参数后，对本方法所述测量装置进行仿真分析，验证其在套刻误差测量方面的能力。
图7A～7D展示了一组仿真过程中的具体结果，其中图7A展示了套刻误差OV＝0、预设偏差为+D＝25nm时仿真所得的测量光谱Intensity，展示的结果为以最大光强进行归一化后的结果。图7B展示了对图7A所示测量光谱进行频域分析后的结果，即不同频率下的幅值Amplitude。图7C展示了对图7D所示频域信号分通道处理并进行线性运算后所得的套刻误差表征量Δm+＝m14 +-m41 +。图7D展示了由套刻误差表征量求得的套刻误差(需要另一组模拟测量光谱求解Δm-)，取测量结果中间1/5部分(加粗部分)的平均值作为在设定套刻误差为0nm时模拟测量所得的套刻误差，得OVget＝0.028nm。
图8A和8B展示了利用本实施例对给定套刻误差的仿真结果。其中图8A展示了在-10nm～10nm范围内随机给定套刻误差值OVset，通过本实施例所述测量系统求解得到套刻误差OVget；图8B展示了在-10nm～10nm范围内随机给定套刻误差值OVget，并在测量中添加1％的高斯噪声，然后通过本测量系统求取套刻误差OVget。可以发现，本实施例所述测量系统对套刻误差具有良好的表征能力，其在套刻误差测量中具有良好的灵敏度，优异的线性度以及较强的抗噪能力。
仿真结果表明了本实施例所述套刻误差测量方法与测量配置在套刻误差测量方面具有良好能力，验证了本发明在套刻误差测量领域具有较好的应用前景。
综上所述，本申请设计的套刻误差测量装置可以快速获知待测套刻样件的穆勒矩阵，而且不包括运动器件，并且基于入射光和反射光进行套刻误差测量，因此套刻标记周期不受限制、测量速度快、测量结果不受运动器件对测量信号的干扰、能够同时适用于基于划线槽区域内套刻标记的套刻误差测量与基于器件本身的套刻误差测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种套刻误差测量装置，其特征在于，所述装置包括：
照明系统(110)，用于产生探测光；
设于所述照明系统(110)光路上的起偏臂(120)，所述起偏臂(120)沿光路依次包括起偏器(121)、第一相位延迟器(122)、第二相位延迟器(123)以及第一透镜组(124)，所述起偏器(121)将所述探测光转化为线性偏振光，所述第一相位延迟器(122)与第二相位延迟器(123)对所述线性偏振光进行调制，第一透镜组(124)将调制后的线性偏振光会聚至待测套刻样件表面；
与所述起偏臂(120)沿待测套刻样件表面的法线对称设置的检偏臂(130)，所述检偏臂(130)沿光路依次包括第二透镜组(131)、第三相位延迟器(132)、第四相位延迟器(133)以及检偏器(134)，经所述待测套刻样件表面反射后的反射光经所述第二透镜组(131)准直后通过所述第三相位延迟器(132)、第四相位延迟器(133)以及检偏器(134)解调；
设于所述检偏臂(130)光路上的探测系统(140)，所述探测系统(140)将检偏臂(130)解调的光束会聚并将所述光束发送至数据处理系统(150)，所述数据处理系统(150)将所述光束转化为穆勒矩阵，并根据所述穆勒矩阵获得套刻误差。
2.一种套刻误差测量装置，其特征在于，所述装置包括：
照明系统(210)，用于产生探测光；
设于所述照明系统(210)光路上的起偏臂(220)，所述起偏臂(220)沿光路依次包括起偏器(221)、第一相位延迟器(222)以及第二相位延迟器(223)，所述起偏器(221)将所述探测光转化为线性偏振光，所述第一相位延迟器(222)与第二相位延迟器(223)对所述线性偏振光进行调制；
设于所述起偏臂(220)光路上的入射角扫描系统(230)，入射角扫描系统(230)沿光路依次包括扫描反射镜(231)、分束器(232)以及高数值孔径物镜(233)，所述起偏臂(220)调制后的光束被所述扫描反射镜(231)和分束器(232)偏折后被所述高数值孔径物镜(233)会聚至待测套刻样件表面，所述光束被所述待测套刻样件反射并被所述高数值孔径物镜(233)收集后透过所述分束器(232)射出；
设于所述入射角扫描系统(230)光路上的检偏臂(240)，所述检偏臂(240)沿光路依次包括第三相位延迟器(241)、第四相位延迟器(242)以及检偏器(243)；
设于所述检偏臂(240)光路上的探测系统(250)，所述探测系统(250)将检偏臂(240)解调的光束会聚并将所述光束发送至数据处理系统(260)，所述数据处理系统(260)将所述光束转化为穆勒矩阵，并根据所述穆勒矩阵获得套刻误差。
3.根据权利要求1或2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述第一相位延迟器(122，222)、第二相位延迟器(123，223)、第三相位延迟器(132，241)以及第四相位延迟器(133，242)的厚度比为1∶1∶5∶5或者1∶2∶5∶10或者1∶4∶2∶9。
4.根据权利要求1或2所述的套刻误差测量装置，其特征在于，所述起偏器(121，221)的方位角为0°，所述检偏器(134，243)的方位角为0°或90°，所述第一相位延迟器(122，222)的方位角为45°，所述第二相位延迟器(123，223)的方位角为0°、所述第三相位延迟器(132，241)的方位角为0°以及第四相位延迟器(133，242)的方位角为45°。
5.一种采用权利要求1或2所述的套刻误差测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，起偏臂(120，220)对所述探测光进行调制后照射至所述待测套刻样件表面或经所述入射角扫描系统(230)照射至所述待测套刻样件表面，所述待测套刻样件表面的反射光束经所述检偏臂(130，240)解调后获得测量光谱，所述测量光谱通过所述探测系统(140，250)发送至所述数据处理系统(150，260)；
S2，所述数据处理系统(150，260)对所述测量光谱进行频域分析获得所述测量光谱的频域信号；
S3，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵；
S4，根据所述穆勒矩阵获得所述待测套刻样件的套刻误差。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤S3中对所述频域信号进行分通道频域分析具体为：
以所述套刻误差测量装置的基频为频率带宽，将所述频域信号进行分频次处理。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31，对所述频域信号进行分通道频域分析以获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵的线性组合；
S32，对所述穆勒矩阵的线性组合进行线性运算即可获得所述待测套刻样件的穆勒矩阵。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，步骤S4包括根据所述穆勒矩阵通过eDBO方法或机器学习方法获得所述待测套刻样件的套刻误差。
9.一种权利要求1或2所述套刻误差测量装置的优化方法，其特征在于，所述方法包括：
以由相位延迟器厚度比所决定的系统矩阵的条件数最小为原则设计所述第一相位延迟器(122，222)、第二相位延迟器(123，223)、第三相位延迟器(132，241)以及第四相位延迟器(133，242)的厚度比，其中，所述系统矩阵的条件数最小的判别公式为：
min(cond(P))＝min(||P||||P+||)
其中，P为由相位延迟器厚度比所确定的系数矩阵，cond为所述系数矩阵的条件数，+表示为求所述系数矩阵的广义逆，||||表示为取矩阵的范数；和/或
根据所述相位延迟器厚度比设计单位周期采样点数，所述单位周期采样点数应满足以下公式：
Np≥4(d1+d2+d3+d4)
其中，Np为单位周期采样点数，d1∶d2∶d3∶d4为四个相位延时器的厚度的最简整数比；和/或
设计所述探测系统(140，250)的测量波长范围，其中，所述测量波长范围应满足以下公式：
Figure FDA0002711030750000041
Figure FDA0002711030750000042
其中，λmin为所述探测系统(140，250)的最小探测波长，λmax为所述探测系统(140，250)的最大探测波长，λmin0与λmax0分别为实际用于测量与计算的最小与最大波长，λ0为中心测量波长，Δλ为探测器的波长分辨率，NT为测量周期数，NT大于或等于5；和/或
根据相位延迟器厚度设计准则设计所述相位延迟器的基础厚度，所述相位延迟器厚度d0的设计准则为：
Figure FDA0002711030750000043
其中，Δn(λmax0)为所述相位延迟器所选材料在最大测量波长处的双折射率，Δn(λmin0)为所述相位延迟器所选材料在最小测量波长处的双折射率。
10.根据权利要求9所述的优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0，是测量波段满足整周期截断，所述调整实际测量波段起始点λmin0与终点λmax0的依据为：
Figure FDA0002711030750000051
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